计算化学工程
课程编码：081701M05003H
英文名称：Computational Chemical Engineering
课时：40
学分：2.00
课程属性：专业普及课
主讲教师：杨超等
教学目的要求
化学工程是研究化工生产中所进行的化学和物理过程共同规律的一门工程学科。化工是数据密集型的产业，只有对化工生产数据进行精确的分析和处理，才能确定生产中物料和能量利用的极限和最佳利用途径，为化工生产效率的提高和节能减排提供思路。随着化学工程科学、计算机和软件技术的发展，模拟计算的准确性和可靠性逐渐增强，应用范围逐渐拓宽，化工过程模拟技术已经成为人们解决化工问题的重要技术手段。
计算化学工程是针对化工学院学生开设的专业普及课，本课程教学突出阐述工程类的模拟计算与化工实际问题的结合，目的在于引导学生将所学的化学反应工程、传递原理、化工热力学等重要的知识，通过物理和数学模型、数值计算方法等工具，应用到实际生产的设计和优化中。本课程主要包括计算流体力学、计算传质学和计算热力学等内容，将从化工的基本原理、模型的认识和实际应用案例等方面进行教学，要求学生们提高利用工具处理化工数据和解决实际问题的能力，从而使得他们在将来的工作中能够利用计算工具对化工数据进行正确的分析处理，获得有意义的计算结果，推动化工生产走向智能化。
预修课程
无
大纲内容
第一章 绪论 1学时 杨超
第1节 化工学科发展历程
第二章 计算化学工程发展 5学时 杨超
第1节 计算化学工程
第2节 反应器放大
第3节 非均相反应器的传递理论新模型
第4节 非均相反应器的实验测量
第5节 工业反应器快而准的计算方法
第三章 工业实例 3学时 杨超
第1节 反应器放大和性能调控的工业实例
第2节 微小尺度传递模型
第3节 复合材料与计算化学工程
第四章 数学基础 3学时 陈杰
第1节 守恒律的数学描述
第2节 质量和动量守恒
第3节 无量纲化
第4节 离散化过程
第5节 OpenFOAM软件初识
第五章 扩散项离散 3学时 陈杰
第1节 方程离散化过程
第2节 半离散化方程
第3节 二维扩散
第4节 梯度计算
第5节 OpenFOAM扩散算例
第六章 对流项离散 3学时 陈杰
第1节 一维稳态对流和扩散
第2节 高阶格式
第3节 高分辨率格式
第4节 边界条件
第5节 OpenFOAM稳态算例学习
第七章 时间项离散 3学时 陈杰
第1节 有限差分格式
第2节 有限体积格式
第3节 非均匀时间步
第4节 源项
第5节 OpenFOAM非稳态算例
第八章 流场计算 3学时 陈杰
第1节 流场计算的难点
第2节 交错网格的缺陷
第3节 Rhie-Chow插值
第4节 同位网格SIMPLE算法
第5节 OpenFOAM流动传质算例
第九章 流体状态方程的学习和使用 3学时 张妍
第1节 纯物质的p-V-T相图
第2节 气体状态方程
第3节 对比态原理和应用
第4节 真实气体混合物的p-V-T关系
第5节 液体的p-V-T性质
第6节 状态方程的应用
第十章 纯流体的热力学性质 3学时 张妍
第1节 热力学性质之间的关系
第2节 热力学性质的计算
第3节 逸度和逸度系数
第4节 两相系统的热力学性质和图表
第5节 利用其他工具获得热力学性质
第十一章 流体混合物的热力学性质 3学时 张妍
第1节 化学位和偏摩尔性质
第2节 混合物的逸度和逸度系数
第3节 理想溶液和标准态
第4节 活度和活度系数模型
第5节 电解质溶液理论
第6节 流体混合物的软件计算方法
第十二章 相平衡计算 3学时 张妍
第1节 相平衡的基本条件
第2节 汽液平衡相图
第3节 汽液平衡的测定和计算
第4节 汽液平衡计算实例
第5节 固液平衡的测定和计算
第6节 固液平衡与结晶
第十三章 化工过程能量分析 3学时 张妍
第1节 能量平衡的计算和应用
第2节 能量的合理利用和节能减排
第3节 Aspen中换热器的计算
第十四章 考试 2学时 杨超
第1节 考试
参考书
1、
The Finite Volume Method in Computational Fluid Dynamics
F. Moukalled;L. Mangani;M. Darwish
2016年
Springer
课程教师信息
首席教授：杨超，过程工程研究所研究员、博导、副所长。2010年获国家杰出青年科学基金，2016年入选国家万人计划科技创新领军人才，2013年入选国家百千万人才工程国家级人选。获得2019年国家科技进步二等奖、2015年国家技术发明二等奖、2009年国家自然科学二等奖，还获得何梁何利基金科学与技术创新奖、日本化工学会亚洲研究奖、光华工程科技奖、中国青年科技奖等。 申请专利88件（国际10件）、授权48件（国际7件），获计算软件著作权34项，发表SCI论文156篇，出版英文专著1本。研究领域：反应器工程、多相传递和绿色化工。
主讲教师：陈杰，过程工程研究所副研究员、硕士生导师。主要从事微尺度两相流动（包括Marangoni效应等不稳定性现象）及相间传递过程的数学模型和模拟、微重力化工实验及反应器内流体混合优化等方面的研究。主持或参与国家自然科学基金多项，以及微重力化工实验平台及微重力化工实验的研究。发表SCI期刊论文7篇,授权软件著作权3项,授权发明专利1项。2016年获得石化联合会科技进步二等奖，2019年获得过程所年度国际合作先进个人并入选过程所青年促进会。
主讲教师：张妍，过程工程研究所副研究员、硕士生导师,中科院知识产权专员，过程工程所青促会成员。研究方向为结晶热力学、药物多晶型等,对于本课程中热力学部分有良好的基础和工作积累。主持2项国家自然科学基金，在AIChE Journal等国内外期刊发表论文20余篇，申请发明专利6项，授权3项。曾获过程工程所国际合作先进个人和优秀知识产权专员奖励。